CN110330945A

CN110330945A - 水性相变微胶囊薄膜及其制备方法

Info

Publication number: CN110330945A
Application number: CN201910751281.7A
Authority: CN
Inventors: 焦国泰; 刘宏伟; 陈蕾
Original assignee: Hangzhou Innock New Materials Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Innock New Materials Co Ltd
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2019-10-15

Abstract

本发明提供一种水性相变微胶囊薄膜及其制备方法，各组分的质量分数为：粘合剂3‑60％，相变微胶囊40‑95％，消泡剂0‑1％，增稠剂0.1‑5％，阻燃剂4‑20％，高导热碳材料0‑20％，余量为水。本发明中相变微胶囊膜焓值高、具有优异的储能性能，具有良好的热导率和热稳定性，形态、尺寸、厚度均可调整，膜强度高，柔性好耐弯折，生产方式简单、环境友好，适合大规模工业生产，应用范围广泛。

Description

水性相变微胶囊薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及相变材料技术领域，更具体地，涉及一种水性相变微胶囊薄膜及其制备方法。

背景技术

全球能源的日益短缺使得节能、储能技术的开发和研究成为提高能源利用率的重要手段之一。随着电子电路集成化程度的提高，电子元器件越来越趋于微型化和大功率化，这使得各类电子元器件的热密度越来越高，若不能有效地散热控温，电子设备温度过高将降低设备的使用效率和寿命，甚至引起燃烧或爆炸等安全事故。相变储能技术是利用相变材料在相变过程中可以吸收或释放大量能量同时保持温度稳定的特性，解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾的重要手段。对于电子元器件，相变材料通过吸收热量，使器件温度维持在一定温度内，可以有效缓解电子元器件的过热。而在其他领域的应用中，相变材料可以帮助实现热量管理，增强温度均匀性。

相变控温是指利用相变材料的相变过程来储存或释放热量，从而实现物体温度的控制过程。相变材料按相变形式主要可以分为固-固相变和固-液相变，其中固-液相变材料具有储能密度大，对外界温度的调节能力好等优点，是目前应用最广泛的相变材料。然而，直接使用固-液相变材料却存在着诸多限制，比如固-液相变材料熔融时变为液相，具有一定的流动性，容易造成泄漏或与周围物质混杂等问题，且传热效率差。而相变材料的微胶囊化手段可以有效地克服上述的缺点。通过壁材将相变材料进行封装形成0.5～500μm的微胶囊，壁材的较高机械强度与良好的热传导性能，有利于提高相变微胶囊的热稳定性和热导率。

中国专利107383734 A公开了一种CNTs改性PAN相变材料微胶囊复合薄膜的制备方法。此发明将适量的羧基化碳纳米管添加到混有相变材料微胶囊的聚合物中，通过刮涂法制成薄膜，制得的薄膜孔隙率和比表面积大。但是此发明采用超声分散的方法混合原料，并不适合工业化大规模生产；同时，由于所用材料均为油性，VOC较高，对环境不友好；薄膜热焓并不够高，相变吸放热能力不强；另外，由于薄膜的多孔隙结构，导致薄膜的热导率大打折扣，均温效果不佳，在高热流密度的环境下并不适用。

中国专利109449131 A公开了一种相变材料薄膜及其制备方法和应用。此发明将相变微胶囊与氧化石墨烯原液混合，通过旋涂方法制成膜。制得的薄膜导热率高。但是此发明由于其原料成膜性不佳，制得的膜材料尺寸、厚度难以控制且不均匀，无法应用到工业生产；同时，薄膜的热焓值较低，相变吸放热能力不强；另外，薄膜强度和耐候性不佳，实际应用受到较大限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

水性相变微胶囊薄膜，是用相变微胶囊与水性粘合剂混合，用消泡剂、增稠剂、阻燃剂等助剂调节混合液的性质，涂成薄膜；添加高导热碳材料以增强膜的导热性能。

所述各组分的含量为：粘合剂3-60％，相变微胶囊40-95％，消泡剂0-1％，增稠剂0.1-5％，阻燃剂4-20％，高导热碳材料0-20％。

相比油性膜中相变微胶囊最高含量约80％，在水性膜中相变微胶囊含量最高可达95％，所以水性薄膜相变焓更高，吸热放热能力更强；在油性膜制作前必须把微胶囊干燥成粉末才能使用，一方面工艺复杂成本高，另一方面微胶囊在干燥后再次分散难度加大，微胶囊在油性膜中分散不均匀，而水性膜制作中微胶囊在水相中合成后直接使用，工艺简单，分散好，成膜性好，膜厚度均匀可调，成膜表面光滑；制作油性膜必须使用有机溶剂来提高微胶囊的含量，有机溶剂不但会削弱微胶囊的机械强度甚至破坏微胶囊壳壁，而且增加环保的负担，水性膜不使用任何有机溶剂不影响微胶囊的完整性，所以水性膜的热稳定性更高而且更加环保。添加的高导热碳材料可在薄膜中形成导热网络，加强膜传热能力，使膜的均温效果更明显。

制得的薄膜可根据需要裁切成各种形状、尺寸，厚度为0.1～1mm，适合工业生产。

制得的薄膜在升温时，当达到相变温度，薄膜内的相变材料通过相变吸热，有效限制温度继续升高；在降温时，薄膜内的相变材料在凝固过程中释放储存的热量，通过对流和传导耗散。

所述的相变温度可以根据实际需要，通过调整所用的相变材料调节。

可选地，所述相变微胶囊包括高分子壳材和包裹于高分子壳材内的相变材料。相变材料为芯材。

可选地，所述相变微胶囊的芯材为有机相变材料，包括烷烃类化合物、醇类化合物、有机酸类化合物或酯类化合物中的一种或几种。

优选地，所述烷烃类化合物为石蜡、芳香烃或脂肪烃中的一种或几种。

优选地，所述石蜡的熔点为20-50℃。

优选地，所述的胶囊壁材采用聚苯乙烯、聚脲、聚氨酯、聚氯乙烯、密胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、二氧化硅的至少一种制成。

优选地，所述粘合剂为丙烯酸乳液、聚氨酯乳液中的一种。

优选地，所述粘合剂为苯丙乳液、纯丙乳液、醋丙乳液中的一种或几种。

优选地，所述增稠剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、聚氨酯增稠剂、丙烯酸酯增稠剂中的一种或几种。

优选地，所述增稠剂为羧甲基纤维素、丙烯酸酯增稠剂中的一种或几种。

优选地，所述高导热碳材料为高导热炭黑、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、膨胀石墨、碳纤维、碳纳米管或石墨纳米片中的一种或几种。

优选地，所述各组分的含量为：相变微胶囊60-90％，粘合剂5-40％，消泡剂0.5-1％，增稠剂0.1-2％，阻燃剂5-10％，高导热碳材料0-5％。

本发明同时保护上述水性相变微胶囊薄膜的制备方法，所述制备方法为：制备相变微胶囊与水性粘合剂及其他添加剂的混合分散液，然后制成湿膜，干燥固化，得到水性相变微胶囊薄膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的水性相变微胶囊薄膜具有优异的热导率和热稳定性；相变焓高，控温作用明显；相变时形态稳定，宏观形态大小均可调控；膜强度高，柔性好耐弯折；生产过程简单环保，适合大规模生产。

附图说明

图1为微胶囊制备实施例1中相变微胶囊的DSC测试图。

图2为微胶囊制备实施例1中相变微胶囊的热重分析测试图。

图3为微胶囊制备实施例1的光学显微镜照片。

图4为制膜实施例1的DSC测试图。

图5为制膜实施例2的DSC测试图。

图6为制膜实施例3的DSC测试图。

图7为制膜实施例4的DSC测试图。

图8为老化试验实施例1原样的DSC测试图。

图9为老化试验实施例1老化168H样品的DSC测试图。

图10为老化试验实施例1老化336H样品的DSC测试图。

图11为老化试验实施例1老化500H样品的DSC测试图。

具体实施方式

微胶囊制备实施例1

称量石蜡于烧杯中，在恒温烘箱中加热融化至透明液态，然后将适量膜材料加入熔融石蜡搅拌溶解制成油相；在另一个烧杯中将乳化剂溶解于离子水中制成水相。随后将油相和水相混合，利用剪切得到乳白色O/W型乳液。加入交联剂或引发剂使膜材料交联后成膜得到所述相变微胶囊。

经检测，所得微胶囊粒径为D50＝20um，所得微胶囊的储能值为217J/g。经热重分析TGA实验，其在250℃之前无明显热失重，具有较好的热稳定性。

制膜实施例1

将30g相变微胶囊水相分散浆液(固含量36％)和1g阻燃剂加入到6g粘合剂中(固含量约50％)，搅拌使相变微胶囊均匀分散水相中；然后加入0.15g消泡剂，搅拌，同时缓慢加入0.15g丙烯酸酯增稠剂，继续搅拌一段时间，得到均匀的水性相变微胶囊分散液。

将水性相变微胶囊分散液均匀涂膜，放入烘箱烘干、固化制成水性相变微胶囊薄膜。

经检测，所得乳白色水性相变微胶囊薄膜的厚度为0.5mm，潜热热焓约为151J/g。阻燃等级达到UL-94HB级。

制膜实施例2

将12g相变微胶囊水相分散浆液(固含量36％)和0.7g阻燃剂加入到6g粘合剂(固含量50％)中，摇晃使粉末全部浸湿后，搅拌使相变微胶囊均匀分散在水相中；然后加入0.1g消泡剂，搅拌，同时缓慢加入0.1g羧甲基纤维素增稠剂，继续搅拌一段时间，得到均匀的水性相变微胶囊分散液。

经检测，所得乳白色水性相变微胶囊薄膜的厚度为0.4mm，潜热热焓约为122J/g。阻燃等级达到UL-94HB级。

制膜实施例3

将18g相变微胶囊水相分散浆液(固含量36％)、0.5g阻燃剂和0.5g高导热炭黑加入到3g粘合剂(固含量50％)中，摇晃使粉末全部浸湿后，搅拌使相变微胶囊均匀分散水相中；然后加入0.1g消泡剂，搅拌，同时缓慢加入0.1g丙烯酸酯增稠剂，继续搅拌一段时间，得到均匀的水性相变微胶囊分散液。

经检测，所得黑色水性相变微胶囊薄膜的厚度为0.3mm，潜热热焓约为156J/g。阻燃等级达到UL-94HB级。

制膜实施例4

将25g相变微胶囊水相分散浆液(固含量36％)、1.2g粘合剂、0.5g丙烯酸酯增稠剂混合，搅拌使各添加剂分散均匀。真空脱泡处理后得到均匀的水性相变微胶囊分散液。

经检测，所得白色水性相变微胶囊薄膜的厚度为0.2mm，潜热热焓为185J/g。

老化试验测试实施例1

测试条件：①样品在恒定85℃，85％RH的环境中进行老化，分别取原样，老化168H，336H，500H的样品进行相应测试；②以0℃作为起始温度，用3℃/min的速率升温至100℃，N₂流速50mL/min。

测试结果：

样品类型	相变焓J/g	相变焓变化
			原样	148.55	/
老化168H	147.57	-0.66％
			老化336H	149.26	+0.48％
老化500H	147.74	-0.54％

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.水性相变微胶囊薄膜，其特征在于，所述薄膜的制备材料包括：粘合剂3-60％，相变微胶囊40-95％，消泡剂0-1％，增稠剂0.1-5％，阻燃剂4-20％，高导热碳材料0-20％，余量为水。

2.根据权利要求1所述的水性相变微胶囊薄膜，其特质在于，所述相变微胶囊是以相变材料为芯材，以有机高分子材料或有机高分子材料和无机材料组成的复合物为胶囊壁的核壳结构。

3.根据权利要求2所述的水性相变微胶囊薄膜，其特征在于，所述的芯材为有机相变材料，包括烷烃类化合物、醇类化合物、有机酸类化合物或酯类化合物中的一种或几种。

4.根据权利要求2所述的水性相变微胶囊薄膜，其特质在于，所述相变微胶囊是在水相中制成，外壳的材料选自聚苯乙烯、聚脲、聚氨酯、聚氯乙烯、密胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、二氧化硅的一种或几种复合膜材。

5.根据权利要求1所述的水性相变微胶囊薄膜，其特质在于，所述的粘合剂为苯丙乳液、纯丙乳液、醋丙乳液、丙烯晴乳液、聚氨酯乳液中的一种。

6.根据权利要求1所述的水性相变微胶囊薄膜，其特征在于，所述的增稠剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、聚氨酯增稠剂、丙烯酸酯增稠剂中的一种。

7.根据权利要求1所述的水性相变微胶囊薄膜，其特征在于，所述的高导热碳材料为高导热炭黑、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、膨胀石墨、碳纤维、碳纳米管或石墨纳米片中的一种或几种。

8.一种权利要求1～7任一项所述水性相变微胶囊薄膜的制备方法，其特征是该制备方法的具体步骤如下：先按照比例称取原料，将相变微胶囊、粘合剂、阻燃剂、高导热碳材料和水均匀混合搅拌；然后加入消泡剂和增稠剂，搅拌至无结块，得到原料的混合浆料；然后将浆料涂成湿膜，干燥固化，得到水性相变微胶囊薄膜。

9.根据权利要求1～8所述的水性相变微胶囊薄膜，其特征在于，所述薄膜为柔性膜，厚度为0.1～1mm。

10.权利要求1-9任一项所述的水性相变微胶囊薄膜用于制备微电子元器件及设备的用途。

11.根据权利要求8所述的制备湿膜的方法，包括刮涂法、喷涂法、旋涂法等多种方法。

12.权利要求1-11所述的水性相变微胶囊薄膜，包括基于所述相变微胶囊薄膜通过贴附其他膜材或片材的方式组成的复合薄膜或片状材料。